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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Schalteinrichtung, die zur Bereitstellung von elektrischer Energie an einen zugeordneten Verbraucher ausgebildet ist und zwischen einem Versorgungsanschluss und einem Verbraucheranschluss angeordnet ist und die für ein Öffnen oder Schließen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Verbraucheranschluss in Abhängigkeit von Schaltsignalen wenigstens einer Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, mit wenigstens einer Verarbeitungseinrichtung, die elektrisch mit einer Eingangsschnittstelle, mit der wenigstens einen elektrischen Schalteinrichtung sowie mit dem Verbraucheranschluss verbunden ist und die zur Verarbeitung von elektrischen Signalen der Eingangsschnittstelle, zur Bereitstellung von Schaltsignalen an die Schalteinrichtung und zur Überwachung von Signalpegeln am Verbraucheranschluss ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Automatisierungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuereinrichtung, ein Automatisierungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung bereitzustellen, bei denen eine verbesserte Überwachung von Verbrauchern, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind, ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Verbraucheranschluss parallel zur Schalteinrichtung ein elektrisches Widerstandsmittel angeordnet ist, um bei geöffneter Schalteinrichtung einen Spannungsteiler mit dem Verbraucher zu bilden und eine vom Schaltzustand der Schalteinrichtung unabhängige Überwachung des Verbraucheranschlusses zu ermöglichen.
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Der elektrische Widerstand des elektrischen Widerstandsmittels ist derart gewählt, dass ein Stromfluss über das Widerstandsmittel in zuverlässiger Weise nicht ausreicht, um den angeschlossenen Verbraucher bei geöffneter, also elektrisch nicht leitendender Schalteinrichtung, aus einem passiven Zustand in einen aktiven Zustand zu versetzen und/oder einen aktiven Zustand des Verbrauchers nach Öffnen der Schalteinrichtung beizubehalten. Vielmehr ist das elektrische Widerstandsmittel derart dimensioniert, dass lediglich ein sehr geringer Stromfluss vom Versorgungsanschluss zum Verbraucheranschluss und von dort zum Verbraucher ermöglicht wird. Somit liegt auch bei geöffneter Schalteinrichtung am Verbraucheranschluss eine definierte elektrische Spannung an, die sich anhand der Versorgungsspannung sowie aus dem Verhältnis der Widerstände des Widerstandsmittels und des Verbrauchers ergibt. Dementsprechend bilden das Widerstandsmittel und der Verbraucher einen Spannungsteiler, wobei ein Abgriff einer elektrischen Spannung zu Diagnosezwecken an einem Knotenpunkt zwischen Widerstandsmittel und Verbraucher vorgesehen sein kann.
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Typischerweise ist das Widerstandsmittel als hochohmig, insbesondere mit einem ohmschen Widerstand größer 50000 Ohm, anzunehmen, während der Verbraucher als niederohmig, insbesondere mit einem ohmschen Widerstand kleiner 5000 Ohm, anzunehmen ist. Ist der Verbraucher ausgangsseitig beispielhaft mit einem Erdpotential verbunden, so liegt bei geöffneter Schalteinrichtung durch die Wirkung des Widerstandsmittels am Verbraucheranschluss eine definierte, wenn auch geringe, elektrische Spannung gegenüber dem Erdpotential an, die in der Verarbeitungseinrichtung verarbeitet werden kann und insbesondere als Low-Pegel interpretiert wird. Bei geschlossener Schalteinrichtung hingegen ist unter den Voraussetzungen einer ordnungsgemäßen Funktion des angeschlossenen Verbrauchers und einer ordnungsgemäßen Funktion der Schalteinrichtung davon auszugehen, dass am Verbraucheranschluss das am Versorgungsanschluss bereitgestellte Versorgungspotential anliegt, das über den Überwachungsanschluss an die Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt wird und dort als High-Pegel interpretiert wird.
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Weist der Verbraucher beispielsweise eine defektbedingte elektrische Unterbrechung auf, so liegt unabhängig von der Schaltstellung der Schalteinrichtung am Überwachungsanschluss der Verarbeitungseinrichtung stets das Versorgungspotential an. Ohne angeschlossenen Verbraucher liegt am Verbraucheranschluss und somit auch am Überwachungsanschluss ebenfalls stets das Versorgungspotential an. Weist hingegen die Schalteinrichtung eine Fehlfunktion auf, führt dies am Verbraucheranschluss ebenfalls zu unerwarteten Signalpegeln. Beispielsweise führt eine Schalteinrichtung, die fehlerbedingt nicht mehr öffnet, unabhängig von dem an die Schalteinrichtung bereitgestellten Schaltsignal zu einer dauerhaften Bereitstellung eines High-Pegels an die Verarbeitungseinrichtung. Eine Schalteinrichtung, die fehlerbedingt nicht mehr schließt, führt unabhängig von dem an die Schalteinrichtung bereitgestellten Schaltsignal zu einer dauerhaften Bereitstellung eines Low-Pegels an die Verarbeitungseinrichtung.
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Der Überwachungseingang kann beispielhaft als digitaler Eingang ausgebildet sein, um ein Vorliegen eines vorgebbaren Low-Pegels oder eines vorgebbaren High-Pegel am Versorgungsanschluss zu ermitteln.
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Besonders bevorzugt ist in der elektrischen Verbindungsleitung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Überwachungsanschluss der Verarbeitungseinrichtung eine, insbesondere als Schmitt-Trigger ausgebildete, elektronische Komparator-Schaltung angeordnet, deren Einschaltschwelle und Ausschaltschwelle unterschiedlich sind, wobei die Spannungsdifferenz zwischen der Einschaltschwelle und der Ausschaltschwelle als Schalthysterese bezeichnet wird. Hierdurch kann aus dem analogen Eingangssignal, das am Verbraucheranschluss abgegriffen wird, ein eindeutiger Schaltzustand gewonnen werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung für eine Ermittlung einer Diagnosekonfiguration anhand von Signalpegeln des wenigstens einen überwachten Verbraucheranschlusses und für einen Vergleich der Diagnosekonfiguration mit einer gespeicherten Verbraucherkonfiguration sowie für eine Ansteuerung der wenigstens einen elektrischen Schalteinrichtung zum Öffnen der elektrischen Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem wenigstens einen Verbraucheranschluss bei Auftreten von Abweichungen zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration ausgebildet ist. Die Verarbeitungseinrichtung ist somit dazu vorgesehen, aus dem analogen Eingangssignal, das am Verbraucheranschluss abgegriffen wird, eine Information über den Zustand der Schalteinrichtung und des Verbrauchers zu ermitteln, die auch als Diagnosekonfiguration bezeichnet wird. Ferner kann die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die Diagnosekonfiguration mit einer gespeicherten Verbraucherkonfiguration zu vergleichen und für den Fall einer Abweichungen zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration unmittelbar die zugeordnete Schalteinrichtung zu öffnen, um hierdurch einen sicheren Zustand für den Verbraucher herbeizuführen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, die Diagnosekonfiguration mit einer gespeicherten Verbraucherkonfiguration zu vergleichen und für den Fall einer Abweichung zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration ein Fehlersignal an eine Sicherheitssteuerung zu übermitteln, die dann eine Entscheidung über eine gegebenenfalls vorzunehmende Abschaltung des Verbrauchers trifft und hierzu der Verarbeitungseinrichtung ein entsprechendes Abschaltsignal übermittelt, so dass die Verarbeitungseinrichtung anschließend die zugeordnete Schalteinrichtung öffnet, um hierüber einen sicheren Zustand für den Verbraucher herbeizuführen.
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In Abhängigkeit von einem für den jeweiligen Verbraucher zugrundezulegenden Sicherheitsniveau kann vorgesehen sein, dass eine elektrische Versorgung des Verbrauchers über eine Reihenschaltung von mehreren Schalteinrichtungen erfolgt, so dass auch im Fall eines Defekts einer der Schalteinrichtungen noch eine zuverlässige Abschaltung des Verbrauchers sichergestellt ist.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere elektrische Schalteinrichtungen vorgesehen, die jeweils zur Bereitstellung elektrischer Energie an jeweils zugeordnete Verbraucher ausgebildet sind und die jeweils zwischen dem Versorgungsanschluss und einem jeweiligen Verbraucheranschluss angeordnet sind und für ein Öffnen oder Schließen der jeweiligen elektrischen Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem jeweiligen Verbraucheranschluss in Abhängigkeit von Schaltsignalen der wenigstens einen Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sind, wobei die wenigstens eine Verarbeitungseinrichtung elektrisch mit den jeweiligen Verbraucheranschlüssen verbunden und zur Überwachung von Signalpegeln an den jeweiligen Verbraucheranschlüssen ausgebildet ist. Somit kann die Steuereinrichtung eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern in zuverlässiger Weise ansteuern und die Funktion der Schalteinrichtungen sowie der Verbraucher in einfacher Weise überwachen.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Verarbeitungseinrichtung für eine Ermittlung einer Diagnosekonfiguration anhand von Signalpegeln der jeweils überwachten Verbraucheranschlüsse und für einen Vergleich der Diagnosekonfiguration mit einer gespeicherten Verbraucherkonfiguration sowie für eine Ansteuerung der elektrischen Schalteinrichtungen zum Öffnen der elektrischen Verbindungen zwischen dem Versorgungsanschluss und dem jeweiligen Verbraucheranschluss bei Auftreten von Abweichungen zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration ausgebildet ist. Die Ermittlung einer Diagnosekonfiguration für eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern ermöglicht einen raschen Abgleich der an den überwachten Verbraucheranschlüsse anliegenden Signalpegeln mit einer Erwartungshaltung. Diese Erwartungshaltung basiert beispielsweise auf den Schaltsignalen, die zur Ansteuerung der einzelnen Schalteinrichtungen von der Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt werden. Alternativ kann diese Erwartungshaltung auch von außen, insbesondere im Zuge einer Konfiguration und/oder Parametrierung der Verarbeitungseinrichtung aufgeprägt sein. Vorzugsweise ist eine Verknüpfung der Konfiguration und/oder Parametrierung mit den aktuell an die Schalteinrichtungen bereitgestellten Schaltsignalen vorgesehen, um die Erwartungshaltung zu bestimmen, die als Verbraucherkonfiguration in der Verarbeitungseinrichtung zwischengespeichert werden kann, bis der Vergleich mit der Diagnosekonfiguration durchgeführt ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den Vergleich der Diagnosekonfiguration mit der Verbraucherkonfiguration anhand wenigstens eines vorgebbaren Vergleichskriteriums durchzuführen. Dabei definiert das Vergleichskriterium eine maximal zulässige Abweichung zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration und es wird eine Ansteuerung der elektrischen Schalteinrichtungen in einem Öffnungszustand durch die Verarbeitungseinrichtung vorgenommen, wenn das Vergleichskriterium nicht erfüllt ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, die auf der Überwachung mehrerer Verbraucheranschlüsse basierende Diagnosekonfiguration mit einer gespeicherten Verbraucherkonfiguration zu vergleichen und für den Fall einer Abweichung zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration ein Fehlersignal an eine Sicherheitssteuerung zu übermitteln, die dann eine Entscheidung über eine gegebenenfalls vorzunehmende Abschaltung der Verbraucher trifft und hierzu der Verarbeitungseinrichtung ein entsprechendes Abschaltsignal übermittelt, so dass die Verarbeitungseinrichtung anschließend die zugeordneten Schalteinrichtungen öffnet, um hierüber einen sicheren Zustand für die Verbraucher herbeizuführen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder elektrischen Schalteinrichtung eine eigene Verarbeitungseinrichtung zugeordnet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die elektrische Schalteinrichtung zusammen mit dem Widerstandsmittel und der Verarbeitungseinrichtung einen einheitlichen, kostengünstig herzustellenden Baustein bilden, der innerhalb der Steuereinrichtung vielfach eingesetzt werden kann, wobei eine Ansteuerung der Vielzahl von Bausteinen vorzugsweise über eine gemeinsame Steuerung vorgesehen ist. Beispielhaft ist für diesen Fall vorgesehen, dass die einzelnen Verarbeitungseinrichtungen das am Verbraucheranschluss abgegriffene analoge Eingangssignal in ein Digitalsignal wandeln und an die gemeinsame Steuerung weiterleiten und dass in der gemeinsamen Steuerung die Ermittlung der Verbraucherkonfiguration und der Vergleich mit der aus den Digitalsignal in der einzelnen Verarbeitungseinrichtungen erzeugten Diagnosekonfiguration erfolgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Widerstandsmittel als Sicherheitswiderstand mit zeitlich unveränderlichem Widerstand und/oder dass die elektrische Schalteinrichtung als Feldeffekttransistor, vorzugsweise als p-Kanal-MosFET, insbesondere als n-Kanal-MosFET, ausgebildet ist. Das Widerstandsmittel kann insbesondere als MELF-Widerstand (Metal Electrode Leadless Faces), also als oberflächenmontierbares (SMD) Bauteil mit zylinderförmiger Bauform ausgebildet sein, bei dem die kreisrunden Stirnflächen die elektrischen Kontakte bilden. Eine Charakteristik von MELF-Widerständen besteht darin, dass sie ein genau definiertes Verhalten im Fehlerfall besitzen, da sie aufgrund ihres Aufbaus ihren Widerstand über die Zeit nicht ändern oder allenfalls hochohmiger werden können. Die Verwendung von Feldeffekttransistoren ermöglicht eine Veränderung des Schaltzustands der jeweiligen Schalteinrichtung mit einem geringen Energiefluss, so dass beispielsweise eine unmittelbare Ansteuerung der Schalteinrichtungen durch einen Mikroprozessor oder Microcontroller gewährleistet werden kann. Die Verwendung eines als n-Kanal-MosFET ausgebildeten Feldeffekttransistors verringert aufgrund des im Vergleich zu einem p-Kanal-MosFET geringeren Innenwiderstands zudem die Verluste in der Schalteinrichtung beim Betrieb des Verbrauchers.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung für eine Verarbeitung von elektrischen Signalen der Eingangsschnittstelle, die eine Verbraucherkonfiguration in einer ersten und in einer zweiten Codierung enthalten, ausgebildet ist. Die Verbraucherkonfiguration bildet die Vergleichsgröße für die jeweils aktuelle ermittelte Diagnosekonfiguration und stellt somit einen wesentlichen Bestandteil für die Funktion der Steuereinrichtung dar. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der dem wenigstens einen Verbraucheranschluss zugeordnete Verbraucher in sicherheitsgerichteter Weise betrieben werden soll. In diesem Fall ist es erforderlich, die Verbraucherkonfiguration fehlerfrei an die Verarbeitungseinrichtung bereitstellen zu können. Dies kann in der Praxis dadurch erfolgen, dass die Verbraucherkonfiguration in einem Projektierungssystem, das beispielsweise als Computersoftware auf einem mit der Verarbeitungseinrichtung direkt oder indirekt verbindbaren Computer betrieben werden kann und das insbesondere eine grafische Benutzeroberfläche umfasst, durch Zuordnung von Verbrauchern an die jeweilige Verarbeitungseinrichtung von einem Benutzer erstellt wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Benutzer die Zuordnung der Verbraucher zu der jeweiligen Verarbeitungseinrichtung zusätzlich auf manuellem Weg ermittelt und diese Verbraucherkonfiguration gemäß einer vorgebbaren Codierung in eine Zeichenkette überführt, die ihrerseits in das Projektierungssystem eingegeben werden kann. Anschließend an diese Projektierung erfolgt eine Übertragung der automatisch im Projektierungssystem durch die vorgenommene Zuordnung erzeugte Verbraucherkonfiguration sowie der manuell vom Benutzer erzeugten und beispielhaft in das Projektierungssystem als Zeichenkette eingetragenen Verbraucherkonfiguration an die Verarbeitungseinrichtung, wo ein Vergleich der beiden Verbraucherkonfigurationen vorgenommen werden kann. Um Übertragungsfehler zwischen dem Projektierungssystem und der Verarbeitungseinrichtung ausschließen zu können, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die automatisch erstellte Verbraucherkonfiguration die manuell erstellte Verbraucherkonfiguration als Parametersatz enthält, so dass die Übertragung der beiden inhaltsgleichen Verbraucherkonfigurationen diversitär redundant, also in zwei unterschiedlichen Codierungen erfolgt. Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie nur für den Fall einer Übereinstimmung der beiden Verbraucherkonfigurationen jeweils Schaltsignale an die zugeordneten Schalteinrichtungen zum Schließen der Schalteinrichtungen ausgeben kann. Darüber hinaus ist vorgesehen, vor einer tatsächlichen Inbetriebnahme einer mit der Steuereinrichtung ausgerüsteten Vorrichtung, beispielsweise einer Bearbeitungsmaschine oder eines Industrieroboters, zunächst eine Validierung unter Einhaltung besonderer Vorsichtsmaßnahmen durchzuführen, in deren Rahmen ebenfalls geprüft werden kann, ob die sicherheitsgerichtete Betriebsweise für die den jeweiligen Verbraucheranschlüssen zugeordneten Verbraucher gewährleistet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung für eine Verarbeitung von elektrischen Signalen der Eingangsschnittstelle, die eine Verbrauchergruppenkonfiguration in einer ersten und in einer zweiten Codierung enthalten, sowie zur gezielten Abschaltung wenigstens einer Verbrauchergruppe bei Vorliegen einer Abweichung zwischen einer Diagnosekonfiguration für die Verbrauchergruppe und der für die Verbrauchergruppe ermittelten Verbrauchergruppenkonfiguration ausgebildet ist. Hierbei soll eine Verbrauchergruppe eine Teilmenge sämtlicher an der Verarbeitungseinrichtung angeschlossener Verbraucher darstellen, die als Gruppe in einheitlicher Weise von der Verarbeitungseinrichtung abgeschaltet werden sollen, sofern eine Abweichung zwischen der Diagnosekonfiguration für die Verbrauchergruppe und der zugehörigen Verbrauchergruppenkonfiguration vorliegt. Auf diesem Weg kann vorgesehen werden, eine Vielzahl von Verbrauchern, die an der Verarbeitungseinrichtung angeschlossen sind, in wenigstens zwei, vorzugsweise mehrere, Gruppen zu unterteilen und beispielsweise lediglich eine der Gruppen abzuschalten, während der Betrieb der anderen Gruppen aufrechterhalten wird. Beispielhaft ist hierzu eine Bearbeitungsmaschine mit einem ersten Industrieroboter für eine Zufuhr von Werkstücken, einer Zerspanungsmaschine zur Bearbeitung der Werkstücke sowie einem zweiten Industrieroboter zur Abfuhr von Werkstücken zu nennen, wobei sämtliche Aktoren der beiden Industrieroboter und der Zerspanungsmaschine insbesondere an einer gemeinsamen Verarbeitungseinrichtung angeschlossen sind. Dabei bilden beispielhaft die Aktoren des ersten Industrieroboters eine erste Gruppe von Verbrauchern, die Aktoren des zweiten Industrieroboters bilden beispielhaft eine zweite Gruppe von Verbrauchern und die Aktoren der Zerspanungsmaschine bilden beispielhaft eine dritte Gruppe von Verbrauchern.
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Für den Fall einer Abweichung zwischen einer Verbrauchergruppenkonfiguration und einer Diagnosekonfiguration für die erste Gruppe von Verbrauchern kann vorgesehen sein, diese erste Gruppe von Verbrauchern, beispielhaft die Aktoren des ersten Industrieroboters, abzuschalten, während die beiden anderen Gruppen von Verbrauchern, im Beispiel also die Aktoren der Zerspanungsmaschine und des zweiten Industrieroboters, hiervon unbeeinträchtigt bleiben und ungehindert weiterbetrieben werden.
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Da es sich bei den Verbrauchergruppenkonfigurationen um sicherheitsrelevante Parameter handelt, die beispielsweise von einem Benutzer durch Zusammenfassung einzelner Verbraucher zu Gruppen in einem Projektierungssystem festgelegt werden, ist eine sichere Übertragung vom Projektierungssystem zur Verarbeitungseinrichtung unabdingbar. Hierzu kann exemplarisch in gleicher Weise wie zur Übertragung der Verbraucherkonfigurationen auch für die Verbrauchergruppenkonfigurationen eine diversitär redundante Übertragung mit zwei unterschiedlichen Codierungen vorgesehen werden, so dass die Verarbeitungseinrichtung durch Vergleich der beiden, unterschiedlich codierten Verbrauchergruppenkonfigurationen zunächst die fehlerfreie Übertragung überprüfen kann und anschließend die übertragene Verbrauchergruppenkonfiguration für die Verarbeitung mit der Diagnosekonfiguration verwenden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verarbeitungseinrichtung für eine freie Zuordnung von Verbraucheranschlüssen und zugeordneten Schalteinrichtungen zu jeweiligen Verbrauchergruppen in Abhängigkeit von wenigstens einer Verbrauchergruppenkonfiguration ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinrichtung als Mikroprozessor oder Microcontroller ausgebildet und weist eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen zur Bereitstellung von Schaltsignalen sowie von Eingangsanschlüsse zum Empfang von Signalpegeln der jeweils zugeordneten Verbraucheranschlüsse auf, wobei die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass benachbart angeordnete Anschlusspaare, die jeweils einen Ausgangsanschluss und einen Eingangsanschluss umfassen, und wahlweise gleichen oder unterschiedlichen Verbrauchergruppen zugeordnet sein können. Dementsprechend können Verbraucher zunächst in beliebiger Weise an die Verarbeitungseinrichtung angeschlossen werden, was insbesondere für eine Verkabelung der Verbraucher von Vorteil ist, um anschließend über das Projektierungssystem und die damit verknüpfte Konfiguration und Parametrisierung der Verarbeitungseinrichtung die gewünschte Zuordnung der Verbraucher zu den Gruppen festzulegen und die Funktionsweise im Zuge der Validierung zu überprüfen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt für ein Automatisierungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Das Automatisierungssystem umfasst eine Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie eine übergeordnete Steuerung, die über eine Kommunikationsverbindung mit der Steuereinrichtung verbunden ist und die zur Bereitstellung von elektrischen Signalen an die Eingangsschnittstelle der Steuereinrichtung ausgebildet ist, sowie mit wenigstens einem Verbraucher, der mit wenigstens einem der Verbraucheranschlüsse der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die übergeordnete Steuerung für eine Bereitstellung einer Verbraucherkonfiguration, insbesondere einer Verbrauchergruppenkonfiguration, an die Steuereinrichtung ausgebildet ist. Bei der übergeordneten Steuerung kann es sich insbesondere um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) handeln, die nicht in sicherheitsgerichteter Weise konstruiert ist und auch nicht in sicherheitsgerichteter Weise betrieben wird und die für die Koordination von Abläufen einer komplexen Vorrichtung, beispielsweise einer Bearbeitungsmaschine, ausgebildet ist. Um zumindest für einige Aktoren der Bearbeitungsmaschine eine sicherheitsgerichtete Betriebsweise gewährleisten zu können, ist die übergeordnete Steuerung über eine Kommunikationsverbindung, beispielsweise eine Busverbindung, mit einer Steuereinrichtung verbunden, die gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 ausgebildet ist. Dementsprechend wird von der Verarbeitungseinrichtung der Steuereinrichtung ein sicherheitsgerichteter Betrieb insbesondere für die diejenigen Aktoren der Bearbeitungsmaschine ermöglicht, von denen ein Gefährdungspotenzial ausgeht. Exemplarisch ist vorgesehen, dass eine Verbraucherkonfiguration oder Verbrauchergruppenkonfiguration mittels eines der Steuerung zugehörigen Projektierungssystems erstellt wird und vor einer Inbetriebnahme des Automatisierungssystems an die Steuereinrichtung übertragen wird, insbesondere unter Nutzung unterschiedlicher Codierungen zur Erzielung einer diversitär redundanten Informationsübertragung. Nach einer Validierung des Automatisierungssystems, bei der unter Einhaltung besonderer Sicherheitsvorkehrungen sämtliche Funktionen, insbesondere die sicherheitsgerichteten Funktionen, des Automatisierungssystems überprüft wurden, kann anschließend ein Normalbetrieb für das Automatisierungssystem durchgeführt werden, in dessen Rahmen die Steuerung Bewegungsbefehle für die Aktoren der Bearbeitungsmaschine ermittelt und beispielsweise an die Steuereinrichtung überträgt. In der Steuereinrichtung wird anhand der in Form von elektrischen Signalen an die Eingangsschnittstelle bereitgestellten Bewegungsbefehle sowie der Verbraucherkonfiguration und einer oder mehrerer gegebenenfalls vorgesehener Verbrauchergruppenkonfigurationen eine Ansteuerung der zugeordneten Schalteinrichtungen sowie ein Abgleich mit der jeweils aktuell ermittelten Diagnosekonfiguration vorgenommen, um bei Vorliegen von Abweichungen eine vollständige oder teilweise Abschaltung des Automatisierungssystems vorzunehmen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Automatisierungssystems ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Verbraucher mit mehreren der Verbraucheranschlüsse verbunden ist. Hierdurch können auch Verbraucher an die Verarbeitungseinrichtung angeschlossen werden, die einen Energiebedarf aufweisen, der eine Belastbarkeit eines einzelnen Verbraucheranschlusses überlasten würde. Aufgrund der freien Konfigurierbarkeit der Verbraucheranschlüsse ist es nicht erforderlich, dass die zur Versorgung des jeweiligen Verbrauchers vorgesehenen Verbraucheranschlüsse unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, so dass hierdurch ein vorteilhafter Freiheitsgrad bei der elektrischen Verbindung des Verbrauchers mit der Verarbeitungseinrichtung gewährleistet werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem dritten Erfindungsaspekt für ein Verfahren zum Betreiben einer Steuerungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung an der Eingangsschnittstelle eintreffende elektrische Signale, die eine Verbraucherkonfiguration, insbesondere eine Verbrauchergruppenkonfiguration, in einer ersten und in einer zweiten Codierung enthalten, miteinander vergleicht und eine Speicherung der Verbraucherkonfiguration, insbesondere der Verbrauchergruppenkonfiguration, bei Übereinstimmung der beiden Verbraucherkonfigurationen, insbesondere Verbrauchergruppenkonfigurationen, vornimmt und dass die Verarbeitungseinrichtung eine Ermittlung einer Diagnosekonfiguration anhand von Signalpegeln der jeweils überwachten Verbraucheranschlüsse und einen Vergleich der Diagnosekonfiguration mit der gespeicherten Verbraucherkonfiguration sowie eine Ansteuerung der elektrischen Schalteinrichtungen zum Öffnen der elektrischen Verbindungen zwischen dem Versorgungsanschluss und dem jeweiligen Verbraucheranschluss bei Auftreten von Abweichungen zwischen Diagnosekonfiguration und Verbraucherkonfiguration durchführt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 ein Bearbeitungssystem, das exemplarisch eine Bearbeitungsmaschine mit zwei zugeordneten Industrierobotern sowie ein Automatisierungssystem zur Ansteuerung der Bearbeitungsmaschine und der Industrieroboter umfasst,
- 2 eine erste Ausführungsform einer Steuereinrichtung, bei der eine Verarbeitungseinrichtung zur Ansteuerung mehrerer Verbraucher ausgebildet ist,
- 3 eine zweite Ausführungsform einer Steuereinrichtung, bei der jedem Verbraucher eine separate Verarbeitungseinrichtung zugeordnet ist, und
- 4 eine schematische Darstellung für die Abläufe in der Steuereinrichtung.
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Ein in der 1 rein schematisch und rein exemplarisch dargestelltes Bearbeitungssystem 1 dient zur Bearbeitung von nicht näher dargestellten Werkstücken und umfasst eine beispielhaft als Fräsmaschine ausgebildete Bearbeitungsmaschine 2, einen ersten Industrieroboter 3, einen zweiten Industrieroboter 4 sowie ein Automatisierungssystem 5. Dabei ist der erste Industrieroboter 3 für eine Zufuhr der nicht näher dargestellten Werkstücke an die Bearbeitungsmaschine 2 vorgesehen, während der zweite Industrieroboter 4 für eine Abfuhr von ebenfalls nicht dargestellten, bearbeiteten Werkstücken aus der Bearbeitungsmaschine 2 vorgesehen ist. Das Automatisierungssystem 5 ist zur koordinierten Ansteuerung der nicht näher dargestellten Aktoren der Bearbeitungsmaschine 2 sowie der Industrieroboter 3 und 4 vorgesehen, wobei es sich bei den Aktoren rein exemplarisch um Pneumatikzylinder handeln kann. Dementsprechend ist das Automatisierungssystem 5 dazu ausgebildet, Druckluft von einer nicht dargestellten Druckluftquelle in nicht näher dargestellter Weise an die einzelnen Aktoren bereitzustellen, hierzu umfasst das Automatisierungssystem 5 eine Vielzahl von ebenfalls nicht näher dargestellten Fluidventilen, insbesondere Magnetventilen, die mittels geeigneter Schaltsignale aktiviert und deaktiviert werden können.
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Das Automatisierungssystem 5 umfasst beispielhaft eine als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildete übergeordnete Steuerung 6, die elektrisch mit Steuereinrichtungen 7, 8 und 9 sowie mit einer Sicherheitssteuerung 10 verbunden ist. Dabei sind die Steuereinrichtungen 7, 8 und 9 jeweils zur Ansteuerung einer Komponente des Bearbeitungssystems 1, also der Bearbeitungsmaschine 2, des Industrieroboters 3 sowie des Industrieroboters 4, vorgesehen. Rein exemplarisch kann vorgesehen sein, dass jede der Steuereinrichtungen 7, 8 und 9 Schaltsignale an Fluidventile bereitstellt, die in nicht näher dargestellter Weise in der Bearbeitungsmaschine 2, im Industrieroboter 3 sowie im Industrieroboter 4 integriert sind. Die übergeordnete Steuerung 6 koordiniert die Aktivitäten der Bearbeitungsmaschine 2, des Industrieroboters 3 und des Industrieroboters 4, insbesondere anhand eines Ablaufprogramms, und stellt den zugeordneten Steuereinrichtungen 7, 8 und 9 Bewegungsbefehle in Form von elektrischen Eingangssignalen zur Verfügung. Die Aufgabe der Sicherheitssteuerung 10 besteht darin, die Bewegungen der Aktoren der Bearbeitungsmaschine 2, des Industrieroboters 3 und des Industrieroboters 4 zu überwachen und bei einem Vorliegen einer Abweichung zwischen einem erwarteten Verhalten der zugeordneten Komponenten und einem tatsächlichen Verhalten der zugeordneten Komponenten eine Abschaltung des Bearbeitungssystems 1 in nachstehend näher dargestellter Weise vorzunehmen, um das Bearbeitungssystem 1 oder zumindest Teile des Bearbeitungssystems 1 in einen sicheren Zustand zu überführen.
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Die übergeordnete Steuerung 6 kann zeitweilig mit einem Computer 11 verbunden werden, auf dem ein nicht näher dargestelltes Projektierungssystem, insbesondere mit einer grafischen Benutzeroberfläche, abläuft. Dieses Projektierungssystem kann von einem ebenfalls nicht gezeigten Benutzer dazu eingesetzt werden, das Automatisierungssystem 5 zu konfigurieren. Beispielsweise wird im Zuge der Konfiguration des Automatisierungssystems 5 festgelegt, welche der Steuereinrichtungen 7, 8 und 9 der Bearbeitungsmaschine 2, dem ersten Industrieroboter 3 und dem zweiten Industrieroboter 4 zugeordnet ist und in welchen Wechselbeziehungen diese Komponenten stehen sollen, wenn beispielsweise bei einer der Komponente eine sicherheitsgerichtete Aktion erforderlich ist, um eine Gefährdung eines Benutzers zu vermeiden.
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In der 2 ist eine erste Ausführungsform einer Steuereinrichtung 20 gezeigt, die in Form wenigstens einer der Steuereinrichtungen 7, 8 oder 9 in dem Bearbeitungssystem 1 gemäß der 1 eingesetzt werden kann. Die Steuereinrichtung 20 ist rein exemplarisch als Funktionsmodul mit einem Gehäuse 21 ausgebildet, an dem eine unter anderem als Eingangsschnittstelle dienende Kommunikationsschnittstelle 22, mehrere Lastanschlüsse 23, 24 und 25 sowie ein Versorgungsanschluss 26 vorgesehen sind. Exemplarisch ist an jedem der Lastanschlüsse 23, 24, 25 jeweils ein Verbraucher 60, 61, 62 angeschlossen. Bei den Verbrauchern 60, 61 und 62 handelt es sich beispielhaft um Magnetspulen nicht näher dargestellter Magnetventile zur Beeinflussung von Fluidströmen für die in 1 dargestellten Komponenten des Bearbeitungssystems 1. Ferner ist vorgesehen, dass jeder der Verbraucher 60, 61 und 62 mit einem dem Lastanschluss 23, 24, 25 abgewandten, nicht näher bezeichneten Anschluss elektrisch mit einem Bezugspotential, insbesondere mit einem Erdpotential 63 verbunden ist.
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Der Versorgungsanschluss 26 ist mit einer Spannungsquelle 64 elektrisch verbunden, die zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung ausgebildet ist. Ausgehend vom Versorgungsanschluss 26 erstreckt sich eine Versorgungsleitung 27 durch die Steuereinrichtung 20, die elektrisch mit Versorgungsanschlüssen 28, 29, 30 verbunden ist, wobei die Versorgungsanschlüsse 28, 29 und 30 als elektrische Knotenpunkte in der Steuereinrichtung 20 ausgebildet sind.
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Ausgehend von den Lastanschlüssen 23, 24, 25 erstrecken sich Anschlussleitungen 31, 32, 33 bis zu Verbraucheranschlüssen 34, 35, 36, die als elektrische Knotenpunkte in der Steuereinrichtung 20 ausgebildet sind.
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Zwischen den Versorgungsanschlüssen 28, 29, 30 und den Verbraucheranschlüssen 34, 35, 36 erstreckten sich jeweils in einer elektrischen Parallelschaltung jeweils eine Schalteinrichtung 37, 38, 39 sowie jeweils ein Widerstandsmittel 40, 41, 42. Bei den Schalteinrichtungen 37, 38, 39 handelt es sich vorzugsweise um Feldeffekttransistoren. Die Widerstandsmittel 40, 41, 42 sind als ohmsche Widerstände, insbesondere als MELF-Widerstände, ausgebildet.
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Ferner umfasst die Steuereinrichtung 20 eine Verarbeitungseinrichtung 43, die beispielhaft als Mikroprozessor ausgebildet ist und die elektrisch mit der Kommunikationsschnittstelle 22 verbunden ist. Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung 43 über Steuerleitungen 44, 45, 46 elektrisch mit den nicht näher bezeichneten Steueranschlüssen (Gate) der Schalteinrichtungen 37, 38, 39 verbunden. Somit können von der Verarbeitungseinrichtung 43 bereitgestellte Steuersignale über die Steuerleitungen 44, 45, 46 zur Beeinflussung der Schaltzustände der jeweiligen Schalteinrichtungen 37, 38, 39 eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Verarbeitungseinrichtung 43 über Sensorleitungen 47, 48, 49 jeweils mit den Verbraucheranschlüssen 34, 35, 36 verbunden, wobei jede der Sensorleitungen 47, 48, 49 jeweils eine als Schmitt-Trigger ausgebildete elektronische Komparator-Schaltung 50, 51, 52 angeordnet ist, mit deren Hilfe aus dem analogen Eingangssignal, das am jeweiligen Verbraucheranschluss 34, 35, 36 abgegriffen wird, ein eindeutiger Signalpegel gewonnen werden kann, der beispielsweise als Low-Pegel oder High-Pegel der Verarbeitungseinrichtung 43 zugeführt wird.
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Eine Funktionsweise der Steuereinrichtung 20 kann rein exemplarisch wie folgt beschrieben werden: zunächst erfolgt mithilfe des in der 1 dargestellten Computers 11 und eines darauf ablaufenden Projektierungssystems eine Projektierung des Bearbeitungssystems 1 oder zumindest des Automatisierungssystems 5. Im Zuge dieser Projektierung kann festgelegt werden, an welchen Lastanschlüssen 23, 24, 25 welche Verbraucher 60, 61, 62 angeschlossen sind und ob gegebenenfalls mehrere Verbraucher 60, 61, 62 eine Verbrauchergruppe 65 bilden sollen, wie sie in der schematischen Darstellung der 4 gezeigt ist.
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Da es sich bei der Zuordnung der Verbraucher 60, 61, 62 um eine sicherheitsrelevante Informationen handelt, kann vorgesehen werden, aus der Zuordnung, die im Projektierungssystem beispielsweise auf Basis einer grafischen Benutzeroberfläche erfolgen kann, in automatisierter Weise eine erste Zuordnungsinformation, die auch als Konfiguration bezeichnet wird, zu erzeugen. Ferner kann vorgesehen sein, die vorgenommene Zuordnung beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Zuordnungstabelle auf manuellem Wege durch einen Benutzer in eine zweite Zuordnungsinformationen zu überführen, die beispielsweise als Zeichenkette oder Parametersatz innerhalb der Konfiguration eingetragen wird. Nach Abschluss der Projektierung wird das Projektierungsergebnis mit der Konfiguration und dem darin enthaltenen Parametersatz vom Computer 11 an die übergeordnete Steuerung 6 übertragen und kann von dort aus an die einzelnen Steuereinrichtungen 7, 8, 9 übertragen werden.
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Beispielhaft wird übereinstimmend mit der Darstellung der 2 bei der Zuordnungsinformation, wie sie in der 4 dargestellt ist, davon ausgegangen, dass an jedem der Lastanschlüsse 23, 24, 25 jeweils ein Verbraucher 60, 61, 62 angeschlossen ist, was durch die jeweils verwendeten Ziffern 1 in der vom Computer 11 bereitgestellten Ausgangsinformation symbolisiert wird. Die unterschiedliche Repräsentation der Zuordnungsinformation, beispielsweise in Form einer Konfiguration und eines in der Konfiguration enthaltenen Parametersatzes wird dadurch symbolisiert, dass die Ausgangsinformation des Computers 11 in einer ersten Codierung und in einer zweiten Codierung an die Steuereinrichtung 20 übertragen wird.
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Die Zugehörigkeit zweier Verbraucher zur Verbrauchergruppe 65 wird rein exemplarisch durch den Zusatz „G“ in der jeweiligen Codierung symbolisiert, in der Praxis wird hierfür möglicherweise eine andere Repräsentation eingesetzt.
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Exemplarisch erfolgt beim Eintreffen der Konfiguration und des darin enthaltenen Parametersatzes in der beispielhaft mit der Steuereinrichtung 7 gleichzusetzenden Steuereinrichtung 20 ein Vergleich der ersten Zuordnungsinformation mit der zweiten Zuordnungsinformation, wobei eine notwendige Voraussetzung für eine Inbetriebnahme der Steuereinrichtung 20 eine Übereinstimmung der beiden Zuordnungsinformationen ist. Sofern diese Übereinstimmung vorliegt, kann die Verarbeitungseinrichtung 43 der Steuereinrichtung 20 über die Kommunikationsschnittstelle 22 eintreffende Steuersignale in Schaltsignale für die jeweils zugeordneten Schalteinrichtungen 37, 38, 39 umsetzen, um die gewünschte Ansteuerung der zugeordneten Verbraucher 60, 61, 62 zu bewirken. Ferner überwacht die Verarbeitungseinrichtung 43 die Signalpegel an den Verbraucheranschlüssen 34, 35, 36 und erzeugt aus diesen Signalpegeln eine Diagnosekonfiguration 67, die anschließend mit der Verbraucherkonfiguration 66 verglichen wird, wobei die Verbraucherkonfiguration 66 vorzugsweise jeweils in Abhängigkeit von den Schaltsignalen für die anzusteuernden Schalteinrichtungen 37, 38, 39 aktualisiert wird.
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Bei Übereinstimmung der Diagnosekonfiguration 67 mit der Verbraucherkonfiguration 66 wird eine Energieversorgung der zum jeweiligen Zeitpunkt angesteuerten Schalteinrichtungen 37, 38 und 39 aufrechterhalten, so dass auch die damit verbundenen Verbraucher 60, 61, 62 weiter mit Energie versorgt werden können. Liegt hingegen keine Übereinstimmung zwischen der Diagnosekonfiguration 67 und der Verbraucherkonfiguration 66 vor, so kann wahlweise vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinrichtung 43 unmittelbar die Ansteuerung der Schalteinrichtungen 37, 38, 39 dahingehend vornimmt, dass sämtliche angeschlossenen Verbraucher 60, 61, 62 abgeschaltet werden. Alternativ kann in dem in 4 gezeigten Fall, bei dem eine Abweichung zwischen der Diagnosekonfiguration für die Verbrauchergruppe 65 und der Verbrauchergruppenkonfiguration vorliegt, vorgesehen werden, dass die Verarbeitungseinrichtung 43 lediglich die zur Verbrauchergruppe 65 gehörigen Verbraucher abschaltet, während der nicht zur Verbrauchergruppe 65 gehörende Verbraucher weiterbetrieben wird. Alternativ kann in diesem Fall auch vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinrichtung 43 ein entsprechendes Signal über die Kommunikationsschnittstelle 22 an die Sicherheitssteuerung 10 übermittelt und dort eine Entscheidung über eine Abschaltung oder einen Weiterbetrieb der angeschlossenen Verbraucher, insbesondere der Verbrauchergruppe 65, getroffen wird, die dann an die Steuereinrichtung 20 zurück übermittelt wird, um dann die Abschaltung der Verbrauchergruppe 65 oder sämtlicher Verbraucher vorzunehmen.
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Die in der 3 dargestellte Steuereinrichtung 120 unterscheidet sich von der Steuereinrichtung 20 dadurch, dass jeder der Schalteinrichtungen 37, 38, 39 eine eigene Verarbeitungseinrichtung 153, 154, 155 zugeordnet ist, wobei eine Funktionsweise dieser jeweiligen Verarbeitungseinrichtung 153, 154, 155 im Wesentlichen identisch mit der Funktionsweise der Verarbeitungseinrichtung 43 ist.
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Zur Koordination der Verarbeitungseinrichtungen 153, 154 und 155 in der Steuereinrichtung 120 ist ein Steuerung 156 vorgesehen, die in der Art eines Busknotens die an der Kommunikationsschnittstelle 22 eintreffenden Signale auf die einzelnen Verarbeitungseinrichtungen 153, 154, 155 verteilt und Signale der Verarbeitungseinrichtungen 153, 154, 155 an die Kommunikationsschnittstelle 22 bereitstellt.